人造板工艺学授课教案

人造板工艺学授课教案内容摘要：

材体积 气干密度 ρ g =气干材重量 /气干材体积 绝干密度 ρ o =绝干材重量 /绝 干材体积 通常用气十密度和基本密度。   影响木材密度的因素：含水率、木材构造、抽提物等，而木材的构造和抽提物又受树龄、树干部位、立地条件的影响。   密度对产品性能的影响：木材的强度和韧性随密度的变化而变化。 B. 木材中的水分与胀缩   木材中的水分：通常以三种形式存在 ①自由水 —— 存在于大毛细管内（细胞腔内）的水分 ②吸着水 —— 存在于微毛细管内（细胞壁内）的水分 ③化合水 —— 不数与木材分子化学结合的水分   木材中不同形式水分对木材性能的影响 ① ① 自由水：一般在微毛细管系统内的水分达到饱和时才存在，其容量很大，有可能使木材的绝对含水率超过 100%。 自由水的增加或减少不引起木材尺寸的胀缩。 也不影响木材的强度。 只影响木材的重量、保存性和燃烧性等。 ② ② 吸着水：存在于细胞壁中，直接影响木材的胀缩与强度。 ③ ③ 纤维饱和点：当木材细胞腔内的水分完全蒸发，而细胞壁的吸着水没散失时，或当木材细胞壁吸满吸着水，即细胞壁水分达到饱和状态时，但细胞腔内完全没有水分时，此时木材含水状态称为纤维饱和点。 纤维饱和点的含水率因树种不同而有差别，通常约为 30%。 纤维饱和点是木材 材性变异的转折点。 当木材含水率大于纤维饱和点时：木材中水分的增加与减少即为自由水的变化。 当木材含水率小于纤维饱和点时，木材中水分的增加与减少即为吸着水的变化。   木材的胀缩 纵向收缩率： % 径向收缩率： 3~7% 弦向收缩率： 6~14% （ 2） （ 2） 木材的力学性质 A. 木材力学性质 强度：木材抵抗外部机械力作用（包括拉伸、压缩、剪切、弯曲等）的能力。 各向异性：在纵向、径向和弦向上木材的强度各不相同。 B. 影响木材力学性质的因素   木材缺陷   木材密度   木材含水率 （ 3） （ 3） 木材的化学性质 A 木材化学组成   化学组成 有机物质 细胞壁物质（存在于细胞壁中）：纤维素、半纤维素、木素 非细胞壁物质（存在于细胞间隙和细胞腔内）：抽提物 无机物质 小于 1%的灰分   不同树种的化学组成 温带针叶材 温带阔叶材 纤维素 42177。 2% 45177。 2% 半纤维素 27177。 2% 30177。 5% 木素 28177。 3% 20177。 4% 抽提物 3177。 2% 5177。 3% ① ① 纤维素：针叶材与阔叶材相近；半纤维素 ：针叶材小于阔叶材；木素：针叶材大于阔叶材 ② ② 同一株树中，纤维素：树干大于枝桠；抽提物：树干小于枝桠 ③ ③ 树皮中纤维素、半纤维素含量少，抽提物含量高，木素含量变化大 B．主要组分的结构与性质 ① ① 纤维素   分子结构：纤维素是不溶于水的简单聚糖。 大量 D葡萄糖基通过 1， 4 位碳原子上的 β — 甙键连接而成的直链巨分子化合物。 羟基是主要官能团 分子式：（ C6H10O5） n ，式中 C6H10O5 为葡萄糖基， n 为聚合度，天然状态下大于 10000。 大分子 —— 微纤丝（结晶区，非结晶区） —— 原纤维 —— 纤维 —— 木材   物理性质： 白色、无臭、无味、各向异性，密度 ~，比热在 左右。 无定型区有大量的游离羟基，易吸引水分子，形成氢键。 这些被吸附的为称为结合水。 当吸附水量达饱和以后，水不能再与纤维素产生结合力，这些水称为游离水。 纤维素定型区占百分比越大，结合水越多，吸湿性越大。   力学性质：强度取决于分子链之间的结合力。 结晶度越高，定向性越好，强度越大。 当聚合度小于 700 时，随着聚合度的增加，强度显著提高。 当聚合主小于 200 时，纤维素几乎丧失强度。   化学性质：降解反应 降解：用物理、化学或物理化学方法使高分子化合物分子尺寸减小，聚合度降低的现象。 高分子化合物的降解包括水解、氧化和热解三类。 水解又分为酸性和碱性水解降解。 在人造板中常发生两种降解：酸性水解降解和热解降解。 酸性水解降解： 纤维素在酸的作用下，缩醛连接（ β — 甙键）断裂，产生水解反应，纤维素的聚合度下降，还原能力增加，吸湿性增强，机械性能下降等。 在人造板生产中，酸性来自于原料在高温下蒸煮时，糖类物质分解的有机酸（如甲酸、乙酸），起到催化作用。 热解降解： 高分子物质因受热而产生聚合度降低的作用。 纤维素热降解的程度与温度高低、作用时间的长短及介质的水分和氧气含量有密切关系。 ② 半纤维素（戊聚糖） 指除纤维素以外的所有非纤维素碳水化合物（少量果胶质与淀粉除外）的总称。   分子结构 半纤维素由两种或两种以上单糖基构成的非均一结构的聚糖。 分子式：（ C6H8O4） n 纤维素 半纤维素 单一糖基，单一甙键 多种糖基，多种甙键 直链巨型 多个支侧链 聚合度大于 10000 主链聚合度约 200 结晶区、无定型区 无定型物质   性质 ① ① 半纤维素聚合度低，强度低； ② ② 半纤维素为无定型物质，含有大量游离 OH，易吸湿。 其含量过高，影响人造板的尺寸稳定性。 ③ ③ 半纤维素中含有多种糖基和不同的连接方式，有的可以被酸溶解，有的可以被碱破坏，故易降解。 在人造板生产过程中，凡有水、热作用工序都会出现程度不同的半纤维素反应。 ③ 木素 木素在植物纤维中与半纤维素共同构成结构壳物质，存在于胞间层与细胞壁上微纤维之间。   分子结构 木素是一类复杂的芳香族化合物，基本单元是苯丙烷，通过醚键和碳 — 碳键连接成体型大分子，是 无定型物质。 其主要官能团有：甲氧基、羟基、羰基、烯醛基和烯醇基等。 分子量较大， 800~10000。   性质 颜色：白色或淡黄色，分离木素具有较深的颜色，与相应试剂有颜色反应。 熔点：热塑性物质，无定型结构决定其无固定熔点。 熔点随树种、含水率变化。 通常针叶材（ 170~180）大于阔叶材（ 140~150），随含水率的增加而下降。 木素的热塑性是人造板生产工艺条件制定的主要依据，特别是纤维板生产中它是纤维分离和重新组合的重要条件之一。 降解：受水热作用产生水解降解，程度：半纤维素 纤维素 木素 缩合 ：水热作用产生有机酸，使木素降解活化，在热的继续作用下，又重新缩合。 木质原料经蒸煮，大于 110 度则降解，开始软化，达到 130 度时，木素缩合开始，此后降解与缩合同时存在，在 140~160 度时，木素缩合加速。 水的存在促进木素的缩合，起保护作用。 ④ 抽提物与酸碱性 抽提物是指除构成细胞壁物质的纤维素，半纤维素和木素以外，经中性溶剂（水，乙醇、苯、乙酸、水蒸汽或稀酸、稀碱溶液抽提出来物质的总称（所有内含物）。 含量少的约为 1%，多的超过 40%。 含量随树种、树龄、树干部位以及生长立地条件不同而不同。 心材大于边材。 抽提物将影响人造板产品的质量，并对设备造成腐蚀。 抽提物与原料的酸碱性（ pH 值）有关。 一般木材呈酸性， pH=~，主要因为原料中含有醋酸、蚁酸、树脂酸及其他酸性物质。 此外，原料在贮存过程中含酸量会不断增加。 在干燥过程中，由于半纤维素乙酰基水解而生成了游离醋酸。 原料的酸碱性对人造板制造有重要影响，比如胶合时，碱性物质不利于 UF 胶的固化。 2． 1． 1． 2 胶合板生产木质原料 （ 1） （ 1） 胶合板用材   原料：有一定径级的原木。   树种：制得的单板变形小，易于胶合   我国常用的胶合板树种： 针叶材：马尾松、云南松、樟子松等 阔叶材：水曲柳、荷木、杨木、樟木、榆木、椴木、桦木、枫香、核桃楸、泡桐等 进口材：柳安、阿必东、克伦、奥克曼等 目前，工厂常用树种：杨木、柳桉、水曲柳、马尾松等 （ 2） （ 2） 木材结构对胶合板生产的影响   年轮：环孔材旋切单板具有美观的纹理，但易透胶。 散孔材旋切单板均质光滑，组织均匀致密，可旋切薄单板。   心材与边材：心边材差异明显，其含水率、木材硬度、胀缩都有差异，对热处理、旋切、干燥和 热压生产工艺有影响。   木射线：能增加单板表面美观，但影响胶合强度。   树脂道：旋切和干燥时，松脂会沾污旋刀和干燥机，热压时容易脱胶和鼓泡。   硬度：过高会损伤旋刀，单板易开裂；过低单板易起毛，表面不平滑。   尖削度：有尖削度的木材旋切的单板纹理美观，但影响单板强度。 （ 3） （ 3） 对原料的要求 ①原木质量   对出村率有影响的缺陷：弯曲度、较大的削度、机械损伤、环裂、端裂、伤疤、空心、腐心等。   对板材质量有影响的 缺陷：斜纹理、节子、涡纹、变色等。 ②原木长度   原木检尺长度： 4， 5， 6 米，长度公差： +62cm。   根据胶合板规格和质量要求，将原木截断成所需要的木段，同时要根据原木的缺陷，确定合理的锯断位置，保证单板质量，获得最大的利用率。 ③原木径级   国标规定胶合板用材最小直径 26cm。 检尺直径按 2cm 进级。   人工速生林原木直径趋小。   考虑采用无卡轴旋切机以减小木芯直径（ 5mm， 有卡轴旋切机的木芯直径一般为 10mm） 2． 1． 1． 3 刨花板生产木质原料 （ 1） （ 1） 原料种类   小径级原木： 原料基地提供的小径级原木 原料造材剩余物 胶合板木芯   剩余物：采伐剩余物（间伐剩余物、枝桠材） 加工剩余物（板皮、端头、碎单板、锯屑）   竹材和农作物秸秆（秆类、壳类、渣类） （ 2） （ 2） 原料的选择原则   资源丰富 M=KM’ M—— 一年生产所需原料； M’ —— 产量； K—— 生产 1M3 人造板所需原料 刨花板 K= 胶合板 K= 中密度纤维板 K=   原料本身密度低，强度高 密度低，可增大板材的压缩率，板材能获得较高的强度。 密度低，提高单位重要原料的刨花表面积（比表面积），可使板材获得较高的胶合强度。 t2S  （ cm2/g） ρ —— 原料密度； t—— 刨花厚度 但是，由于木材的强度 S=k(ρ )n，低密度，高强度的木材在实际中选择比较困难，通常选针叶村、软阔叶材。 例落叶松 ρ =,速生杨树 I72ρ = g/cm3， I69ρ = g/cm3， MOR=600～ 700 kg/m2。 目前，生 产中多采用针阔叶材混合原料。 混合原料平均密度：ρ =ρ 1P1+ρ 2P2+„„ρ nPn   树皮含量尽量少 树皮对板的影响：树皮颜色深，板面质量差（有斑点）；树皮中有角质物质，影响板材强度；树皮的强度与木材不同影响工艺条件。 通常要求生产中的树皮含量小于 10%，且仅作芯层材料。   含水率要合适 一般要求在 40~60%内。 含水率过低，木材脆性大，原料制备过程中产生的碎屑多，影响板材质量。 含水率过高，干燥时消耗能量大。   pH 值要合适 木材 pH 值影响固化剂的用量和 胶粘剂的固化速度。 固化剂呈酸性，原料若呈碱性，则固化剂用量多，反之则少。   抽提物含量尽量少 抽提物多为油脂类物质（如石蜡、油脂、树胶等），影响胶粘剂对木材的润湿性，不利于胶合。 但能起到防水作用。 2． 1． 1． 4 纤维板生产木质原料 （ 1） （ 1） 原料种类   原料基地提供的小径级原木   采伐剩余物（间伐剩余物、枝桠材）   加工剩余物（碎单板、锯屑、木芯、边角料）   竹材和农作物秸秆（秆类、壳类、渣类） （ 2） （ 2） 原料质量的评定   化学成分 纤维素含量应大于 30%。 纤维素含量高意味着纤维的得率高，产品的耐水性好，机械强度大。 半纤维及水抽提物含量高时，应考虑提高产品耐水性措施。   纤维含量及其形态 纤维含量高低是决定某种阔叶材能否用于纤维板生产的依据。 杂细胞含量过高，导致纤维得率低和滤水困难，影响产品质量（针叶材的管胞占 90%，阁叶材的木纤维多的灰 80%。 少的。